一、技術(shù)背景與核心創(chuàng)新?

在現(xiàn)代智能制造系統(tǒng)中，傳統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)線面臨一個(gè)普遍存在的技術(shù)痛點(diǎn)：工件搬運(yùn)與尺寸檢測通常需要分離的子系統(tǒng)完成。這種分離不僅增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本，更在系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)協(xié)同方面帶來諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)工件完成夾持后，必須通過額外的傳感器（如視覺系統(tǒng)、激光測距或壓力傳感器）進(jìn)行尺寸測量，導(dǎo)致處理流程延長、設(shè)備體積增大以及故障點(diǎn)增多。而基于TMC5130芯片的StallGuard2技術(shù)提出的融合解決方案，通過單一步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)與尺寸檢測功能，開創(chuàng)性地解決了這一技術(shù)難題。

這種技術(shù)融合帶來的直接效益體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，在設(shè)備成本上，省去了傳統(tǒng)檢測所需的傳感器及配套電路，降低了30%以上的硬件成本；其次，在系統(tǒng)可靠性方面，減少了連接線纜和接口數(shù)量，顯著降低了故障率；最后，在響應(yīng)速度上，使檢測過程完全融入搬運(yùn)動(dòng)作的自然時(shí)序中，無需額外停頓。這種“檢測即運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)即檢測”的理念，代表了工業(yè)自動(dòng)化向多功能集成化發(fā)展的新趨勢。

二、 系統(tǒng)硬件架構(gòu)與工作流程

該系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圍繞TMC5130芯片的能力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化的高效整合：

整個(gè)系統(tǒng)采用12V直流電源供電，經(jīng)LM1117-3.3芯片穩(wěn)壓成3.3V給主控芯片供電，主控芯片負(fù)責(zé)運(yùn)算處理，接收到工控機(jī)的指令，經(jīng)運(yùn)算后控制TMC5130電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出驅(qū)動(dòng)信號，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)平行機(jī)械爪，抓取工件，并放置在指定位置，同時(shí)檢測工件尺寸大小，傳回工控機(jī)。

三、核心原理

機(jī)械爪從零點(diǎn)開始做抓夾運(yùn)動(dòng)，此時(shí)主控芯片開始記錄電機(jī)走的步數(shù)，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，截至記錄，通過電機(jī)走的步數(shù)反推工件外形尺寸。

那么怎么檢測堵轉(zhuǎn)呢？答案是根據(jù)反電動(dòng)勢。

檢測[]()反電動(dòng)勢和繞組電流之間的相位差，來反推施加在電機(jī)上的負(fù)載大小，左圖是沒有夾到工件時(shí)的波形，相位差為65.26°，右圖為夾到工件時(shí)，相位差為40.16°。

通過檢測電流為零時(shí)反電動(dòng)勢值的不同，也可以進(jìn)一步確定電機(jī)上的負(fù)載大小。從下圖可以看出當(dāng)剛夾到工件比沒有夾到工件時(shí)反電動(dòng)勢震蕩周期更快，當(dāng)繼續(xù)夾緊至電機(jī)堵轉(zhuǎn)，可以看到反電動(dòng)勢趨于0V

TMC5130內(nèi)置的StallGuard2堵轉(zhuǎn)檢測技術(shù)，就是采用檢測反電動(dòng)勢和繞組電流之間的相位差這一方法，通過分析電機(jī)相電流的變化來評估電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)和機(jī)械阻力。通過測量電機(jī)在不同負(fù)載條件下的電流響應(yīng)，從而判斷電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。具體來說，StallGuard2的測量值（SG_RESULT）在負(fù)載、速度和電流設(shè)置范圍內(nèi)線性變化，當(dāng)負(fù)載最大時(shí)，SG_RESULT接近零，此時(shí)電機(jī)處于最節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)。（下圖為TMC5130的應(yīng)用圖，紅框位置為芯片內(nèi)置的電流負(fù)反饋環(huán)路）

四、關(guān)鍵寄存器配置

IHOLD_IRUN 0X10 電流寄存器

設(shè)置合適的電流，設(shè)置電流大小直接影響電機(jī)的負(fù)載能力。設(shè)定電流改變后sgt值也需要調(diào)節(jié)。

VMAX 0X27 最高速度

使用StallGuard2的最佳工作速度范圍在10-300PRM，不同的電機(jī)速度有所區(qū)別。

SW_MODE 0X34 sg_stop 10bit- 1:啟用STALLGUARD 2功能

COOLCONF 0x6D: 16bit-22bit StallGuard2 閾值用于設(shè)置靈敏度；24bit-標(biāo)準(zhǔn)/濾波模式。

TCOOLTHRS 0X14:使能CoolStep和StallGuard2功能的下限速度，到達(dá)此值電機(jī)停止并保持。

DRV_STATUS 0X6F: StallGuard2值和驅(qū)動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志0-9bit SG_RESULT(負(fù)載值) 用于監(jiān)測電機(jī)所剩的扭力

五、 工件尺寸檢測算法實(shí)現(xiàn)

將StallGuard2的堵轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)化為精確尺寸信息，需要建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型。核心在于利用機(jī)械爪與堵轉(zhuǎn)位置的映射關(guān)系：

實(shí)際尺寸 = (堵轉(zhuǎn)位置 - 基準(zhǔn)位置) × 絲桿導(dǎo)程 / 微步數(shù)

六、實(shí)際測試

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片寄存器配置

2、電機(jī)參數(shù)

3、示波器波形讀取

紅色為電機(jī)A線圈上的激勵(lì)電壓信號，從圖中可得本系統(tǒng)可在0.1秒內(nèi)完成工件尺寸檢測。

七、總結(jié)

這種融合方案代表著工業(yè)自動(dòng)化向__多功能集成化__發(fā)展的必然趨勢。隨著TMC5130等智能驅(qū)動(dòng)芯片的普及，未來我們有望看到更多“硬件簡化、軟件強(qiáng)化”的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)制造業(yè)在柔性化、智能化、低成本化方向持續(xù)突破。

審核編輯 黃宇